旋转导向钻井技术发展现状及展望

1、66石油机械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY2006年第34卷第4 期! 专题综述#旋转导向钻井技术发展现状及展望肖仕红梁政(西南石油大学机电工程学院摘要发展的需要, , 统归纳。、析, 。滑动导向钻井发展现状技术难点采用水力推进器等措施来提高滑动能力, 其滑动钻1井的极限也只有8000m 。因此, 在复杂钻井中, 必须有新的钻井方法来取代滑动钻井, 旋转导向钻井就是其发展方向。引言为了节约开发成本和提高石油产量, 对那些受地理位置限制或开发后期的油田, 通常通过开发深井、超深井、大位移井和长距离水平井来实现, 进而造成复杂结构的井不断增多。目前通行的滑动钻井技术

2、已经不能满足现代钻井的需要。于是, 自20世纪80年代后期, 国际上开始加强对旋转导向旋转导向钻井技术20世纪80年代末, 研究人员便开始加强对旋钻井技术的研究; 到90年代初期, 旋转导向钻井技术已呈现商业化。为了适应国内旋转导向钻井技术发展的需要, 笔者对旋转导向钻井技术进行系统归纳并提出了该技术的技术难点和攻关方向。转导向钻井的研究。旋转导向钻井法是在用转盘旋转钻柱钻井时, 随钻实时完成导向功能。其优点是:钻进时的摩阻与扭阻小、钻速高(是滑动钻井的23倍 、钻头进尺多、钻井时效高、建井周期短、井身轨迹平滑易调控。此外, 其极限井深可达15k m , 钻井成本低。因此, 旋转导向钻井技术是

3、现代导向钻井技术发展的必然方向。旋转导向钻井技术的核心是旋转自动导向钻井系统, 如图1所示。它主要由地面监控系统、地面与井下双向传输通讯系统和井下旋转自动导向钻井系统3部分组成 。滑动导向钻井技术滑动导向钻井技术的特点是在钻井过程中钻柱不旋转, 而是沿井壁轴向滑动, 并通过滑动导向工具改变井眼的井斜角和方位角, 从而控制井眼轨迹。但在目前的复杂钻井中, 滑动导向钻井的缺陷越来越突出, 已经不能满足实际需要。这是因为在滑动钻井中钻柱不旋转, 部分钻柱贴靠在井壁, 造成大的摩阻, 而且使岩屑易堆积在井眼底边, 导致井眼净化不良, 甚至产生卡钻、粘滑和涡动等井下故障。并且, 由于摩阻大, 使钻压很难

4、加在钻头上, 从而减小了钻头上的有效钻压和有效功率, 这不仅使钻速低, 而且当井深超过临界4000m 时, 就不能滑动或很难均匀连续滑动。研究表明, 即使图1旋转导向钻井系统功能框图11地面监控系统旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收和传输子系统及地面计算存储分析模拟系统, 有的还具有智能决策支持系统。旋转导向钻井系统的主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹, 其关键技术是从地面发送到井下的下行控制指2006年第34卷第4期肖仕红等:旋转导向钻井技术发展现状及展望67令系统。21地面与井下双向传输通讯系统目前已提出的信号传输方式有4种, 即钻井液脉冲、绝缘导线、电磁波和声波。通过

5、比较分析, 笔者发现这4种传输方式各有优缺点和应用局限, 如表1所示。表1信息传输方式的比较传输方式钻井液脉冲电磁波声波电缆绝缘导线光缆特种钻杆传输深传输必须钻井开发可靠性度/m速率液介质成本>600060060001(4 绝缘导线传输方式该传输方式属于有线传输方式, 是目前研究的热点, 也是传输技术的发展方向。其优点是能实现地表和井下的双向通46讯, 实时性好, 数据传输率高(1010bit/s , 并且可以直接向井内设备供电。该传输方式研究的关键是钻杆接头设计。钻杆接头设计方法主要有感应法, 湿接头法、霍尔效应传感器法和导线对接法等。由美国Grant Predico I ntelli

6、Serv 公司研, 、卸扣时无, 其智能钻杆采, 。俄罗斯采用在钻杆每个, 在钻杆接头处加电插头方式进行信号传输, 利用该技术在1997年之前就已钻井3200口, 进尺达641224亿m 以上。而法国I FP 公司采用了唇密封的电钻杆, 成功试用于1000m 浅井。而我国这方面技术尚属空白。此外, 地面与井下的信号传输方式还有钻杆振动法、示踪法、扭矩测试法和井下记录法等。31井下旋转自动导向钻井系统井下旋转自动导向钻井系统是旋转自动导向系统的核心, 它主要由3部分构成, 即测量系统、导向机构、CP U 和控制系统。(1 测量系统2-5测量系统主要用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数

7、, 使钻井过程中井下地质参数、钻井参数和井眼参数能够实时测量、传输、分析和控制。它经历了随钻测量(MWD 、随钻测井(L WD 、随钻地震(S WD 、随钻地层评价测试技术(FE MWD 和地质导向技术(GST 几个阶段。20世纪80年代, MWD 第一次应用于定向钻一般高高很高好一般一般好必须不必不必不必中等较高很高约1000>6000>6(1 钻井液脉冲传输方式该传输方式是目前主体技术。其优点是对钻井工艺没有特殊的要求和限制, 仅用钻井液流作为动力。其缺点:钻井液脉冲的数据传输速度较慢; 为了获取数据资料还会放慢钻井作业的速度; 在气体和气液双相流体中不能够采用钻井液脉冲传输方

8、式。目前MWD 的传输速率国外为1012bit/s, 而国内如目前研制成功的新型正脉冲随钻测量系统还只能达到5bit/s 。(2 电磁波传输方式其信号传输的方法有2种:以地层为传输介质和以钻柱为传输导体。其优点是电磁波传输数据的速度较快(可达100bit/s 以上 , 传输数据量较大, 而且不需要特殊的钻杆。可是, 电磁波信号传输的致命弱点就是电磁波沿程衰减严重, 只能传播低频信号, 并且, 易受井场电气设备和地层电阻率的影响。俄罗斯在该技术领域走在了最前面, 技术较成熟, 其生产的ZTS 电磁波随钻测量系统代表了电磁波传输的先进水平, 完全能够满足工业要求。国内如哈尔滨工业大学赵永平也对电磁

9、波信号传输作过深入的研究, 建立了油井大地电磁信道的模型, 确立了一个可以测试实际信号传输能力的试验系统方案。但国内这方面技术仍很缺乏, 还处在信号编码、信号传输特性分析以及开发单个系统样机阶段。(3 声波传输方式该传输方式是利用声波或地震波经过钻杆或地层来传输信号。其优点是实现方法简单、投资少。而其缺点是衰减很快, 受环境干扰大, 携带信息量小。美国桑迪亚国家实验室开发了声波遥测技术, 通过钻杆的应力波快速传递信息, 取代钻井液压力脉冲。但目前该传输方式尚未应用到生产实践中。井中, 并与近钻头测斜器配合使用。这样, 可以随钻测得井斜角和方位角并求出井眼实时偏差矢量, 以实现几何导向。80年代

10、末, L WD 出现。三参数(地层电阻率、体积密度和中子空隙度 组合随钻测井仪和四参数(增加了自然伽马参数 组合随钻测井仪逐渐形成标准的L WD , 完成了由传统电缆测井采集向实时测井采集转变。目前, 美国Shlumberger 、 Baker Hughes 和Halliburt on 公司在随钻测井技术方面处于世界领先地位, 他们都开发出了基本成套的地层评价随钻测井仪器电测井、核测井和声波测井仪器。其中, Shlumberger 公司还研发了Eco 2Scope 多功能随钻测井服务, 该服务将全套地层评价、确定井身轨迹和钻井优化测量组合在1根钻铤 内, 提高了工作效率, 降低了风险, 增加了

11、数据解释、产量和储量计算的可靠性。S WD 是在传统地面地震勘探方法和垂直地震以使导向力矢量满足所需导向目标; 再通过定向控制系统进行方位与井斜的控制(图2 。而后者是通过调节涡轮发电机负载电流改变涡轮发电机绕组回路阻抗, 以使携带高强度永磁铁的涡轮叶片与稳定平台内的扭矩线圈耦合产生不同的电磁转矩和加速度, 进而使旋转换向阀保持一个相对于井壁的固定角度, 即工具面角, 最终实现控制轴在受控状态下的运动状态改变(图3 套筒旋转与否原理。全旋, 。, 其外套不随钻柱旋转 。剖面基础上结合钻井工程而发展起来的一项新技术。通过实时获得的各种地层参数(如层速度、钻头前方反射界面的深度等 , 经加工处理后

12、估算出钻头前方待钻地层的岩石类型、岩石孔隙度、孔隙压力和其它声学的岩石参数, 再结合声波测井资料, 可更准确地研究井眼附近的地层性质。目前, 由美国Shlu mberger 公司研制的新型可视化随钻地震系统(SED , 已成功投入现场使用。FE MWD 是MWD 和LWD Shlu mberger I D 、井斜角、钻压、流动压力、钻井液密度, 还可以测试并传递所钻地层的电钻率(射线 、孔隙度、岩石密度等地层特性参数。GST 是在MWD 、L WD 和S WD 基础上发展起来的一种前沿技术, 也是目前研究的热点。该技术使用随钻定向测量数据和随钻地质评价测井数据以及人机对话方式来控制井眼轨迹。目

13、前, 仅有Shlu mberger 、Baker Hughes 和Halliburt on 三大公司拥有此技术, 其相应的产品为Power D rive , RCLS 和Geo -Pil ot 系统。并且, 三大公司只进行高价技术服务(日租金高达5万美元以上 , 不出售商品工具。我国虽然掌握了S WD 信息采集技术, 但S WD 资料的处理和解释技术还不太成熟; 就GSP 技术而言, 国内才刚刚起步, 与国外存在很大差距。CNPC 科技发展部和中油技服总公司于1999年, 才着手研究地质导向钻井系统。可喜的是, 2003年地质导向钻井系统研制取得重大进展, 其中2个子系统“CG MWD 新型正

14、脉冲随钻测斜仪”和“NBLog -1型近钻头地质参数测量短节”研究成功, 其下井试验也取得了良好结果。(2 导向机构导向机构代表了目前导向技术的先进水平。按原理不同, 导向机构原理可分6为:导向力原理。推力式(或称偏置式 旋转导向工具和指向式旋转导向工具。推力式旋转导向工具是通过侧向力推靠钻头来改变钻头的井斜和方位。而指向式旋转导向工具是预先定向给钻头一个角位移, 通过为钻头提供一个与井眼轴线不一致的倾角来使钻头定向造斜。控制原理。可变径稳定器式旋转导向工具和调制式旋转导向工具。前者是先通过电磁阀调节在伸缩块上的液压,7图2 可变径稳定器式旋转导向工具定向控制管理图3调制式全旋转导向工具定向控

15、制原理目前, 典型的旋转导向工具有:第一代Power D rive 系统, 为调制式推力全旋转导向工具; RCLS系统, 为可变径稳定器式推力旋转导向工具; Geo -Pil ot 系统, 为可变径稳定器式指向旋转导向工具; 第二代Power D rive 系统, 为调制式指向式全6旋转导向工具。导向机构主体可变径稳定器的结构。可变径稳定器是旋转导向系统的具体执行机构, 它主要包括变径机构和控制机构两大部分。变径机构是可变径稳定器的外径变化装置, 它主要由可调稳定块和驱动机构两大部分组成。可调稳定块的作用是通过其与井壁接触, 为钻头提供造斜力。它在变径稳定器上的分布形式有2种, 即3块型和4块

16、型。3块型的典型结构是RCLS 。4块型的典型结构是德国VDS 和西安石油大学的井下闭环旋转导向钻井系统XTCS 。驱动机构的作用是驱动可调稳定器块使其产生运动。目前比较成熟的驱动机构有机械式、机液式和机电液式3种形式:机械式结构是提压钻柱式和投球式可变径稳定811 器。提压钻柱式是通过钻头与井底的接触, 使驱动轴产生轴向运动, 驱动轴上的锥面推动可调稳定块伸出或收缩。投球式是通过在地面向井下投掷钢球, 开泵后在钢球处形成节流使驱动轴产生运动, 驱动轴上的凹凸轮将可调稳定块顶出或收回。石油勘探开发研究院于1991年开发出上述3种结构的稳定器。由于大位移井、水平井受摩阻和钻压的影响, 其驱动轴的

17、受力大小不易确定, 无法准确地实现变径, 因此该提压钻柱式稳定器不适用于大位移井和水平井, 但在直井中可起防斜钻直的作用。不过, 大位移井和水平井可采用投球式变径稳定器, 但投球式稳定器不能多个同时使用, 完全隔离, , 从而带动驱动活塞产生同步轴向运动, 然后, 驱动活塞再推动本体上可调稳定块(柱塞 伸出或收缩, 以达到变径调斜的目的。如苏义脑和张润香设计的“排量控制式变径稳定器”和许国林等研制的“投塞压钻柱式变径稳定器”就是此类结构。机电液式结构兼有液压系统和计算机控制系统之功能。其通过计算机CP U 控制电磁阀的开闭来使液压系统中的活塞产生运动, 然后, 活塞推动可调稳定块伸出或收缩。其

18、典型结构有RCLS 和XCLS 。控制机构是对可变径稳定器发出操作信号的装置。不同类型的可变径稳定器的控制信号是不同的。机械式和机液式变径稳定器的控制信号有6种:钻压信号、排量信号、重力信号、弹性波信号、反压差信号和钻井泵开停信号。机电液式变径稳定器的控制信号来自其本体的CP U 。当钻头传感器测到的井斜角、方位角与设定值间的偏差超过规定范围时, CP U 将发出调整控制信号。目前, 国内对导向机构的研究是一个热点, 已取得了一定的成果, 开发出各种结构的产品。但总的来说, 所开发的产品与国外典型工具相比, 结构相对简单, 功能较单一, 寿命较短, 自动化程度低, 主要应用于简单结构井, 对于

19、复杂井仍然是采用国外产品。(3 CP U 和控制系统12CP U 和控制系统是整个系统的信息处理和管理中心, 它接受来自各个传感器的信号, 并依据特定的数据处理方法和控制规律, 来控制可调稳定块的伸缩, 从而改变钻头的运动轨迹, 以达到预设的要求。CP U 运行的控制算法(包括控制器设计、模型辨识以及状态估计等 是智能钻井的关键部分。可见, CP U 运行的控制算法、传感器技术和变径机构的开发是构成可变径稳定器的三大组成部分。技术难点与攻关方向多年的飞速发展, 、井下控制。然而, , 特殊工艺井、高温高压井的数, 以及成本效益的驱动, 使得人们不断面临更多新的技术难点, 也为人们指明了攻关方向

20、。11信号传输技术难点及攻关方向目前通用的钻井液脉冲传输速度和深度(特别是国内 已经成为制约新技术(特殊工艺井和的瓶颈。因此, 一方钻井测控信息“高速公路”面还需继续加强对钻井液脉冲信号的处理和识别能力, 从而提高钻井液脉冲的传输速度和深度; 另一方面, 还需寻找新的传输技术。无线传输都面临信号衰减严重的问题, 其传输深度受到限制, 因而研发有线传输技术是新的方向。但有线传输的一个技术难题就是钻杆间接头信号传递问题。目前美国、俄罗斯以及法国对此都在进行深入研究, 但国内研究尚属空白, 希望国内开展这一领域的研究, 从而解决信号传输的难题。21信号检测技术难点及攻关方向随着钻井工程的不断自动化、

21、智能化, 需要实时测量、处理更多更详细的井底参数。信号的检测、激发、接收、处理和解释等一系列技术都需要不断掌握和完善。特别是在高温高压井中, 测量仪器要经受高温高压的考验, 这对检测仪器也提出了更高的要求。31旋转导向工具技术难点国内外都在不断研究旋转导向工具, 国外产品已经商业化, 而国内也进入了试验阶段, 但是目前旋转导向工具仍有许多技术难题有待解决:(1 目前可变径稳定器仅能对井斜进行微调, 适合于大曲率钻井, 而在中曲率和小曲率的条件下则不适用。并且稳定块只能径向移动, 是否可以通过径向移动和轴向移动的结合来改变稳定器的调斜功能, 以增大其调斜范围。因此, 应该加大稳定器变径幅度的研究

22、, 使其应用范围更广。 (2 国内的稳定器大多是有级变径, 并且变6Tetsuo Yoneza wa, Ed ward J Cargill, Tom M Gaynor, et al 1Robotic Contr olled D rilling:a Ne w Rotary Steerable D rilling Syste m for the O il and Gas I ndustry 1I A DC /SPE74458, 2002:1157杨剑锋, 张绍槐1旋转导向闭环钻井系统1石油钻采工化次序固定。今后可考虑利用模糊控制技术进行无级变径。(3 稳定器的密封是一项关键技术, 国内的导向工具寿

23、命短的主要原因就是密封快速失效, 因此, 今后有必要对稳定器在高温、高压、高腐蚀条件下的密封结构和材料进行研究。(4 进一步优选材料, 提高稳定器工作温度, 以适应超深井中井底温度的需要。(5 尽可能提高控制精度和鲁棒性。参考文献1苏义脑1艺, 2003, 25(1 :178狄勤丰, 张小柯, 韩来聚等1调制式旋转导向系统对井壁作用力的描述方法和变化规律1石油学报, 2003, 24(3 :82899孟庆昆, 马家骥, 应用1(:39421石油机械, 2004,119121许国林, 李琛, 迟庆辉1投塞压钻柱式变径稳定器版社, 20012沈忠厚, 50年进展和发展的研制与应用1石油机械, 2005, 33(4 :555712Paul Lurie 1使用导电钻柱的智能钻井1国外钻井技术,2004, 19(2 :2936趋势1, 2003, 25(5 :153赵永平, 侯珍秀1油井下数据无线传输试验系统的方案设计1哈尔滨商业大学学报(自然科学